基于NX 軟件的裝配對(duì)接系統(tǒng)數(shù)字孿生體構(gòu)建研究

張 萌

（遼寧裝備制造職業(yè)技術(shù)學(xué)院,遼寧 沈陽(yáng))

1 研究背景

嵌入式過(guò)定位對(duì)接裝配方法是易形變高精度部件裝配的典型裝配工藝，這種裝配方法可改變裝配體接口的受力情況，保證裝配質(zhì)量。但由于易形變高精度裝配體在經(jīng)過(guò)加工、熱處理等工序，其接口容易產(chǎn)生不規(guī)則變形，導(dǎo)致在對(duì)接過(guò)程不可觀測(cè)，給易形變高精度部件裝配過(guò)程帶來(lái)了極大的困難。

協(xié)調(diào)對(duì)接過(guò)程的前提是數(shù)字孿生體的構(gòu)建。在對(duì)接過(guò)程數(shù)字孿生體構(gòu)建領(lǐng)域浙江大學(xué)的周石恩[1-3]等人針對(duì)復(fù)雜產(chǎn)品研究了基于數(shù)字孿生的建模裝配和精度分析的方法，構(gòu)造了與復(fù)雜產(chǎn)品虛實(shí)映射的數(shù)字孿生裝配模型。鄭守國(guó)[4]等人通過(guò)CATLA 軟件建立了飛機(jī)總裝生產(chǎn)線的數(shù)字孿生模型，實(shí)現(xiàn)了物理實(shí)體的三維可視化；但是上述方法形成的數(shù)字孿生體其精度不能完全滿足航天器實(shí)際生產(chǎn)要求。在此背景下本文提出了一種基于NX 機(jī)電概念設(shè)計(jì)模塊構(gòu)建易變形高精度部件對(duì)接裝配系統(tǒng)數(shù)字孿生體的方法。本方法中高精度對(duì)接系統(tǒng)的數(shù)字孿生體模型構(gòu)建是根據(jù)物理空間中對(duì)接系統(tǒng)的三維虛擬場(chǎng)景及定義對(duì)接系統(tǒng)的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，并對(duì)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)求解，將后續(xù)算法提供的裝配體姿態(tài)運(yùn)動(dòng)軌跡解耦成運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的簡(jiǎn)單運(yùn)動(dòng)，再通過(guò)物理空間與數(shù)字空間一致性標(biāo)定，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)接系統(tǒng)的高精度數(shù)字孿生體的構(gòu)建。

2 對(duì)接系統(tǒng)的數(shù)字孿生模型構(gòu)建

主要通過(guò)NX 軟件的機(jī)電概念設(shè)計(jì)模塊（MCD）進(jìn)行對(duì)接系統(tǒng)的數(shù)字空間孿生體建模，將設(shè)計(jì)完成的對(duì)接系統(tǒng)模型導(dǎo)入NX 建模環(huán)境，利用MCD 平臺(tái)所提供的功能解決方案，賦予對(duì)接系統(tǒng)設(shè)計(jì)模型機(jī)械、電氣和自動(dòng)化屬性，形成數(shù)字空間與物理空間協(xié)同的數(shù)字孿生體模型。

2.1 三維虛擬場(chǎng)景構(gòu)建及機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)定義

為了建立一個(gè)可以模擬真實(shí)場(chǎng)景的數(shù)字孿生體模型，設(shè)計(jì)模型各模塊單元需要定義其物理屬性，主要包括剛體、材料、質(zhì)量、慣性矩、碰撞體、摩擦因子以及密度等。現(xiàn)以某航天器的噴管、主體燃燒室艙段作為對(duì)接主體配合高精度并聯(lián)調(diào)姿平臺(tái)運(yùn)動(dòng)，規(guī)定剛體屬性，并指定其質(zhì)心、對(duì)象坐標(biāo)系以及艙段接口處多層止口處設(shè)定碰撞體與碰撞面（見(jiàn)圖1）。

圖1 對(duì)接系統(tǒng)孿生體構(gòu)建

裝配過(guò)程在數(shù)字空間運(yùn)行時(shí)，高精度并聯(lián)調(diào)姿平臺(tái)需要定義機(jī)構(gòu)及設(shè)備內(nèi)部各組件的運(yùn)動(dòng)屬性，方法如圖2a 所示，系統(tǒng)提供機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)定義的功能，包括固定副、鉸鏈副、柱面副、滑動(dòng)副及球副等路徑約束運(yùn)動(dòng)副，設(shè)定構(gòu)件的連接件和基本件，根據(jù)不同運(yùn)動(dòng)副的不同運(yùn)動(dòng)方式設(shè)定其軸矢量、指定錨點(diǎn)，并通過(guò)界面限定運(yùn)動(dòng)副的行程、起始角和初始偏置等?？赏ㄟ^(guò)設(shè)置速度控制、位置控制以及力或力矩控制調(diào)整個(gè)運(yùn)動(dòng)副的狀態(tài)，通過(guò)選擇控制對(duì)象、軸類型位置、速度、加速度等參數(shù)，形成機(jī)構(gòu)及設(shè)備的不同姿態(tài)，便于在定義設(shè)備操作過(guò)程中調(diào)用,方法如圖2b 所示。

圖2 六自由度并聯(lián)調(diào)姿平臺(tái)運(yùn)動(dòng)屬性定義

在數(shù)字空間對(duì)接過(guò)程中，必然伴隨機(jī)構(gòu)及艙段位置姿態(tài)調(diào)整，系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)由上層算法多次迭代物理空間視覺(jué)傳感測(cè)量數(shù)據(jù)和數(shù)字空間虛擬傳感測(cè)量數(shù)據(jù)，解算出最優(yōu)對(duì)接路徑軌跡，分解為設(shè)備機(jī)構(gòu)的一系列基本操作，由基本操作組成復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)過(guò)程。

2.2 動(dòng)作規(guī)劃及運(yùn)動(dòng)學(xué)求解

為了能夠?qū)⑽锢砜臻g和數(shù)字空間動(dòng)作協(xié)同同步，需要將艙段最優(yōu)對(duì)接路徑軌跡分解為六自由度調(diào)姿平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)，求解出各個(gè)電動(dòng)缸的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，得到動(dòng)平臺(tái)輸出與電動(dòng)缸運(yùn)動(dòng)的位移、速度、加速度關(guān)系。如圖3 所示，六自由度并聯(lián)平臺(tái)包括一個(gè)動(dòng)平臺(tái)、一個(gè)靜平臺(tái)和6 個(gè)電動(dòng)缸，每一個(gè)電動(dòng)缸（i）是一個(gè)圓柱副分為缸體和活塞桿?；钊麠U上方通過(guò)上虎克鉸（Ai）與動(dòng)平臺(tái)相連，缸體下方通過(guò)下虎克鉸（Bi）與靜平臺(tái)相連，動(dòng)平臺(tái)和靜平臺(tái)上鉸點(diǎn)的連線呈現(xiàn)出均勻分布的六邊形。

圖3 并聯(lián)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

六自由度并聯(lián)平臺(tái)通過(guò)控制六個(gè)電動(dòng)缸實(shí)現(xiàn)動(dòng)平臺(tái)的空間位姿，用如下向量表示。

q=[q1q2q3φ θ ψ]T表示，其中q1、q2、q3表示平移分量，用位置矢量t=[q1q2q3]T表示，φ 、θ、ψ三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)分量表示體坐標(biāo)系相對(duì)于慣性坐標(biāo)系{Ob}的歐拉角[5]。

通過(guò)求解歐拉角可以確定慣性坐標(biāo)系和體坐標(biāo)系的姿態(tài)。這里我們采用ZYX 歐拉角描述旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)來(lái)確定動(dòng)平臺(tái)的空間位姿。經(jīng)過(guò)變換得到最終的旋轉(zhuǎn)變換矩陣形式T：

動(dòng)平臺(tái)的空間位姿用向量為：

q=[q1q2q3φ θ ψ］T表示，則廣義速度表示為：

a——體坐標(biāo)系相對(duì)慣性坐標(biāo)系的角加速度量；根據(jù)旋轉(zhuǎn)矩陣的定義?？傻茫?/p>

進(jìn)一步對(duì)時(shí)間求導(dǎo)，可得：

2.3 虛擬測(cè)量傳感器定義

針對(duì)多層直口艙段的多級(jí)臺(tái)階配合特征，主要建立碰撞傳感器和距離傳感器兩種類型的虛擬傳感器。碰撞傳感器通過(guò)劃分網(wǎng)格面設(shè)定碰撞面，用于檢測(cè)所設(shè)置的碰撞面是否發(fā)生碰撞，發(fā)生碰撞時(shí)碰撞面高亮顯示紅色并輸出布爾量信號(hào)，碰撞面主要設(shè)置在多層止口處三級(jí)臺(tái)階上相互配合的面上。距離傳感器通過(guò)指定點(diǎn)的位置和指定方向矢量，定義一條傳感器檢測(cè)的綠色光束，光束可以通過(guò)開(kāi)口角度、檢測(cè)范圍進(jìn)行調(diào)節(jié)，當(dāng)檢測(cè)對(duì)象進(jìn)入光束范圍穿過(guò)傳感器定義的光束，距離傳感器持續(xù)測(cè)量與監(jiān)測(cè)對(duì)象的直線距離，并輸出雙精度浮點(diǎn)信號(hào)。

結(jié)合艙段多層止口的多級(jí)臺(tái)階配合處容易發(fā)生不規(guī)則變形的特征，將多個(gè)傳感器分象限分區(qū)域布置。噴管的三層止口處每級(jí)臺(tái)階沿軸向的配合面平均分為8 個(gè)碰撞面，碰撞面形狀為網(wǎng)格面，以1.00 為整個(gè)碰撞體的凸面體系數(shù)，每45°形成一個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域形成1 個(gè)獨(dú)立的碰撞傳感器，8 個(gè)碰撞傳感器互不干涉，檢測(cè)各自獨(dú)立區(qū)域內(nèi)是否發(fā)生碰撞，輸出獨(dú)立的布爾量信號(hào)。噴管段的三層止口處每級(jí)臺(tái)階沿軸向的配合面平均分為8 個(gè)區(qū)域與碰撞傳感器相對(duì)應(yīng)，每個(gè)45°區(qū)域均勻布置3 個(gè)距離傳感器，每級(jí)臺(tái)階沿圓周共布置24 個(gè)距離傳感器光束，24 個(gè)距離傳感器各自獨(dú)立互不干涉，每3 個(gè)傳感器檢測(cè)同一區(qū)域的不同位置，每個(gè)傳感器測(cè)量光束范圍內(nèi)檢測(cè)對(duì)象沿指定方向矢量到指定點(diǎn)的距離，輸出獨(dú)立的雙精度浮點(diǎn)信號(hào)。

2.4 數(shù)字空間與物理空間一致性標(biāo)定

數(shù)字空間中的艙段姿態(tài)主要由物理空間視覺(jué)系統(tǒng)實(shí)時(shí)拍攝靶標(biāo)姿態(tài)反饋所得，靶標(biāo)的安裝應(yīng)位于固定區(qū)域，這樣使用視覺(jué)系統(tǒng)識(shí)別到靶標(biāo)位姿后，對(duì)接面的位姿參數(shù)也就隨著確定，這樣就可以通過(guò)靶標(biāo)識(shí)別到噴管與主體燃燒室艙段的姿態(tài)信息，反饋回?cái)?shù)字空間，通過(guò)算法反算運(yùn)動(dòng)學(xué)進(jìn)而控制六自由度調(diào)姿并聯(lián)平臺(tái)電動(dòng)缸與物理空間同步運(yùn)動(dòng)，保證數(shù)字空間與物理空間中艙段姿態(tài)的一致性。

通過(guò)求解歐拉角可以確定慣性坐標(biāo)系和各個(gè)體坐標(biāo)系的姿態(tài)，同樣通過(guò)歐拉角描述旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)來(lái)確定動(dòng)平臺(tái)、主體燃燒室艙段以及靶標(biāo)的空間位姿。利用高精度三坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量直接得到物理空間的相關(guān)參數(shù)，對(duì)數(shù)字空間中各個(gè)目標(biāo)一一標(biāo)定，進(jìn)而與物理空間中的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)一一映射，完成數(shù)字空間和物理空間的一致性標(biāo)定，保證數(shù)字空間孿生體模型與物理空間真實(shí)對(duì)接系統(tǒng)的高保真鏡像。

3 結(jié)論

文章通過(guò)NX 軟件的機(jī)電概念設(shè)計(jì)模塊進(jìn)行裝配對(duì)接系統(tǒng)的數(shù)字空間孿生體構(gòu)建，利用歐拉角旋轉(zhuǎn)變換和坐標(biāo)平移反解出空間位姿并求解并聯(lián)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)，完成動(dòng)作規(guī)劃得到各個(gè)電動(dòng)缸的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)。在數(shù)字空間構(gòu)建軟測(cè)量系統(tǒng)，解決高精度對(duì)接過(guò)程及裝配后的狀態(tài)在物理空間不可見(jiàn)、不可測(cè)問(wèn)題。在數(shù)字空間創(chuàng)建多個(gè)體坐標(biāo)系，通過(guò)反算出歐拉角旋轉(zhuǎn)變換矩陣T，進(jìn)行了物理空間與數(shù)字空間一致性標(biāo)定。保證數(shù)字空間孿生體模型與物理空間真實(shí)對(duì)接系統(tǒng)的高保真鏡像。經(jīng)過(guò)以某航天器裝配為例對(duì)數(shù)字孿生模型進(jìn)行測(cè)試，該方法建立的數(shù)字孿生體有效且具有較高精度。